狭义的四氧化二氮指红棕色四氧化二氮，广义的四氧化二氮包括红棕色四氧化二氮和绿色四氧化二氮。

无色，在常温下看到的是红棕色四氧化二氮，这是由于部分N₂O₄解离为二氧化氮（NO₂）形成二者平衡混合物，为红棕色液体，当温度升高到140℃时，四氧化二氮完全离解为二氧化氮，温度高于140℃时，二氧化氮开始分解为一氧化氮和氧。沸点21.15℃，冰点-11.23℃，密度（20℃）1.446克/厘米³，临界温度158.2℃，临界压力9.93兆帕，临界密度550.4千克/厘米³。属强氧化剂，与胺、肼等接触能自燃，与很多有机物蒸汽形成爆炸性混合物。对冲击、枪击、压缩、振动、摩擦不敏感。无水N₂O₄对大多数金属的腐蚀性很小，可密封贮存于耐压的不锈钢、铝合金容器中。刺激呼吸道，发生胸闷、呼吸困难、肺水肿，严重时导致死亡。属于剧毒化学品、高毒物品。

N₂O₄的生产方法主要有氨氧化法和次氯亚硝酸法。氨氧化法直接从生产浓硝酸的流程中得到NO₂，经冷凝后再蒸馏制得液体N₂O₄。次氯亚硝酸法是先由盐与硝酸生成亚硝酰氯，然后再经氧化得到NO₂，冷凝蒸馏后得到N₂O₄。为最常用的可贮存氧化剂之一，常与肼类燃料组成双组元液体推进剂，地面理论比冲（2806～2865）米/秒。最早用于1960年服役的美国大力神战略导弹，后亦用于多种运载火箭。